Блог о качестве/конденсаторах
Коррозионностойкое эпоксидное покрытие для высоковольтных конденсаторов, изготовленных методом лазерной резки.
Стандартные эпоксидные корпуса подвергались коррозии на 15% в пыльных лазерных цехах и на 1% в чистых помещениях, а отверстие диаметром 50 мкм на выходе выводов располагалось за 60% корпусов. Герметизация выводов, силановая грунтовка, низкоионогенная смола и 500-часовое испытание на воздействие металлической пыли обеспечивают сопротивление изоляции выше 1 ГОм и частичные разряды ниже 5 пКл.
Коррозионностойкое эпоксидное покрытие для высоковольтных конденсаторов, изготовленных методом лазерной резки.
Инженерный ответ
Коррозия начинается в месте контакта эпоксидной смолы с выводами. В цехах с высокой концентрацией металлической пыли коррозия выводов наблюдалась у 15% стандартных герметизированных конденсаторов в течение 12 месяцев, по сравнению с 1% в чистых помещениях, а в 60% вышедших из строя устройств местом проникновения коррозии было микроскопическое отверстие диаметром 50 мкм на выходе из вывода. Низкоионная вакуумно-дегазированная эпоксидная смола, силановая грунтовка и герметичный выступ вывода обеспечивают сопротивление изоляции выше 1 ГОм и частичные разряды ниже 5 пКл.
- Укажите, что эпоксидная смола должна содержать менее 10 ppm и иметь степень насыщения менее 0.5%.
- Перед формованием обработайте керамику силановым связующим агентом.
- Сформуйте уплотнительный выступ на каждом выходе выводов и добавьте дополнительное уплотнение на винтовых клеммах.
- Перед упаковкой выпекайте туловище при влажности ниже 0.05%.
- Проверено на 500 часов при температуре 60 °C и относительной влажности 85 % с наличием пыли железа и цинка на корпусе под напряжением.
Резюме
Металлическая стружка и конденсат попадают в конденсатор лазерного цеха в виде влаги, содержащей металл, и разрушают герметизирующий слой раньше, чем диэлектрик. В этой статье приводятся расчеты диффузии и коррозии, определяющие срок службы, четыре пути отказа, обнаруженные в возвращенных устройствах, а также варианты состава, адгезии, герметизации и испытаний, позволяющие удержать утечку и частичный разряд в пределах допустимых значений.
1. Введение
Эпоксидная герметизация защищает керамику, предотвращает попадание влаги и удлиняет путь утечки. Такая герметизация является стандартной защитой для высоковольтных конденсаторов и прошла квалификацию в чистых помещениях. В цехах лазерной резки и сварки добавляются три фактора, с которыми стандартное литье никогда не сталкивалось: шлифовальные и зачистные станции выделяют металлическую стружку, режущие головки выделяют мелкую металлическую пыль, а конденсат смачивает и то, и другое.
На каждой поверхности в таком цехе скапливается проводящая пленка. Влага, содержащая металлы и покрывающая эпоксидную смолу, запускает электрохимические реакции на поверхности, вдоль границы раздела с керамикой и на выходах выводов, где контактная площадка расположена ближе всего к внешней среде.
Данные, полученные в полевых условиях, позволяют оценить масштаб угрозы. В цехах с высокой запыленностью 15% конденсаторов со стандартными эпоксидными корпусами показали коррозию выводов в течение 12 месяцев, по сравнению с 1% в чистых условиях. Одна поломка обходится в 2,000–6,000 долларов США на замену высоковольтного блока и останавливает производственную смену.
В этой статье рассматриваются уравнения проникновения влаги, четыре пути разрушения и спецификация инкапсуляции, которая превращает покрытие в барьер.
2. Основной механизм
2.1 Диффузия водяного пара через тело
Вода проникает в эпоксидную смолу посредством диффузии по Фику, и поглощение следует последовательному уравнению. Первый член этого уравнения дает практическую модель:
M(t) = M_sat × [1 − (8/π²) × exp(−π² × D × t / d²)]
где M(t) — количество влаги, поглощенной в момент времени t, M_sat — степень насыщения, D — коэффициент диффузии, d — толщина стенки, а t — время воздействия.
Установка M(t) равным 90% насыщения позволяет выполнить проверку конструкции одним числом:
t_90 = 0.21 × d² / D
где t_90 — время достижения 90% насыщения. Для стенки толщиной 2 мм и D = 10⁻⁷ см²/с, d²/D равно 111 часам, поэтому t_90 равно 23 часам. За одни выходные, отмеченные конденсацией, тело насыщается. Насыщенная эпоксидная смола затем теряет от 2 до 3 порядков величины сопротивления изоляции, и начинается ионная миграция.
2.2 Ионная миграция и потеря металла на конце цепи
Растворенная вода переносит ионы, приложенное поле приводит их в движение, а частицы железа или цинка на поверхности становятся электродами. Металл, удаляемый на анодном участке, подчиняется закону Фарадея:
m = (M × Q) / (z × F)
где m — масса растворенного металла, M — молярная масса, Q — прошедший заряд, z — валентность, а F — постоянная Фарадея, равная 96 485 Кл/моль.
При токе утечки 1 мкА проходит 0.0864 Кл в сутки. Для железа с молекулярной массой M = 55.85 г/моль и z = 2 это приводит к удалению 25 мкг металла в сутки, или 9.1 мг в год, с одного анодного участка. Образовавшийся гидроксид набухает в месте образования, и эпоксидная смола отслаивается от керамики.
2.3 Межфазное напряжение, возникающее при термическом циклировании
Циклы запуска-остановки оборудования и нагрев зоны сварки приводят к гораздо большему расширению смолы, чем керамики. Эпоксидная смола перемещается со скоростью около 60 ppm/°C, а керамика — около 8 ppm/°C, поэтому при каждом изменении температуры на границе раздела происходит сдвиговое напряжение:
σ_int = E_epoxy × (α_epoxy − α_ceramic) × ΔT / (1 − ν)
где σ_int — межфазное касательное напряжение, E_epoxy — модуль упругости эпоксидной смолы, α — два коэффициента расширения, ΔT — изменение температуры, а ν — коэффициент Пуассона.
При E = 3 ГПа, α = 60 ppm/°C против 8 ppm/°C, ΔT = 60 °C и ν = 0.35, арифметические вычисления дают 14 МПа на каждое изменение. Загрунтованный интерфейс выдерживает это напряжение. Слабо связанный интерфейс микротрещины образуются, и трещина становится каналом для влаги, который формовочная масса должна была закрыть.
2.4. Просачивание, которое добавляет формованный корпус.
Тело удлиняет внешний путь проникновения пыли и влаги за пределы голой керамики:
L_creep = L_bare + 2 × w_overmold
где L_creep — общая длина пути утечки, L_bare — утечка по голой керамике, а w_overmold — ширина защитного слоя с каждой стороны. Деталь, рассчитанная на 20 кВ, с защитным слоем толщиной от 3 до 5 мм с каждой стороны добавляет от 6 до 10 мм пути утечки, что и обеспечивает запас прочности по степени загрязнения 3. Шероховатость поверхности и образование следов коррозии разрушают этот запас.
Рис. 1 — Влага, содержащая металл, открывает корпус через отверстие диаметром 50 мкм, через которое выходит вывод; герметизированный выступ, силановая грунтовка и низкоионная эпоксидная смола удерживают сопротивление ИК-излучению выше 1 ГОм, а разряд — ниже 5 пКл.
3. Проблемы проектирования
Проблемная точка 1: микроскопические отверстия на выходе из подводящего кабеля.
При литье под давлением образуются микропустоты в местах соприкосновения передней поверхности смолы с вставкой, то есть в углах и местах выхода выводов. Анализ причин коррозии в 60% исследованных деталей показал, что местом проникновения влаги является микроскопическое отверстие размером 50 мкм на выходе выводов. Пустота такого размера, несмотря на визуальный осмотр, всё равно пропускает влагу к керамическому интерфейсу.
Проблема 2: Самое слабое звено — это эпоксидно-керамический интерфейс.
Термоциклирование создает нагрузку на связь между смолой и керамикой. Разница в коэффициентах теплового расширения этих двух материалов составляет семь раз, поэтому каждый запуск и остановка машины добавляют к предыдущему межфазное сдвиговое напряжение. После 10 000 циклов связь микротрещиновывается, и образуется канал для влаги, даже в корпусе, который при формовании не имел пустот.
Проблема №3: Въевшаяся пыль во время сборки.
В процессе сборки частицы металла оседают на каждой поверхности, а следующий слой покрытия их зарывает. На разделительной перегородке толстопленочный резистор Цепочка частиц корродирует на открытом воздухе; на корпусе конденсатора она корродирует под эпоксидной смолой, разбухает и растрескивает формовку изнутри. При окончательной проверке это незаметно, и дефект проявляется через несколько месяцев в виде дрейфа емкости или внезапного пробоя.
Проблема №4: Тесты на влажность, которые не определяют наличие металла.
Испытание на воздействие влажного тепла в течение 1,000 часов при температуре 85 °C и относительной влажности 85% измеряет поглощение влаги. Оно не измеряет электрохимическую миграцию, поскольку в камере отсутствуют металлические частицы на корпусе. Детали, прошедшие это испытание, вышли из строя через шесть месяцев в цехах с высокой концентрацией металлической пыли.
4. Этапы проектирования
Стратегия 1: Выбрать эпоксидную смолу с низким содержанием ионов и высокими барьерными свойствами.
Требуйте содержания хлорида и натрия ниже 10 ppm, насыщения ниже 0.5% по весу и коэффициента диффузии на порядок ниже, чем у стандартных компаундов для литья под давлением. HVC подвергает свою инкапсуляцию вакуумной дегазации и поддерживает содержание ионных примесей ниже 10 ppm, что вдвое снижает насыщение стандартного изделия, полученного методом трансферного литья. Создайте банк из N4700 диски и дать любой пленочный конденсатор тот, кто находится в том же ограждении, что и мы.
Стратегия 2: Загрунтовать керамику силановым связующим агентом.
Предварительная обработка силаном перед формованием повышает прочность эпоксидно-керамического соединения в 2-3 раза. Это откладывает начало расслоения за пределы расчетного срока службы машины, даже в тех случаях, когда на границе раздела воздействует полное напряжение в 14 МПа при перепаде температур в 60 °C.
Стратегия 3: Загерметизировать выходы свинца, используя их в качестве инженерных интерфейсов.
На каждом выходе вывода сформуйте уплотнительный выступ и проверьте его на наличие пустот. На винтовых клеммах добавьте дополнительное уплотнение из силикона или УФ-отверждаемого барьера на конце. Это перекрывает путь, по которому происходило 60% случаев коррозионных отказов.
Стратегия 4: После завершения курса лечения и интенсивной обработки организма.
Перед упаковкой необходимо полностью отвердыхать смолу и высушить ее, удалив впитавшуюся влагу. Технология HVC позволяет поддерживать содержание впитанной влаги в герметичном корпусе ниже 0.05% при транспортировке, благодаря чему деталь поступает в эксплуатацию сухой, а защитный слой не проводит первые месяцы в цехе при половинной степени насыщения влагой.
Стратегия 5: Пройти квалификационный тест с помощью ускоренного испытания на содержание металлической пыли.
Проведите 500-часовую эксплуатацию при температуре 60 °C и относительной влажности 85 % с калиброванными частицами железа и цинка на находящемся под напряжением теле, затем потребуйте сопротивления изоляции выше 1 ГОм и частоты частичных разрядов ниже 5 пКл. Добавьте в камеру такое же количество пыли, которое соответствует требованиям. быстровосстанавливающийся диод стеки и множитель.
Стратегия 6: Рассматривайте инкапсуляцию как элемент, способствующий проникновению.
Размеры формованного корпуса должны соответствовать степени утечки тока 3 при номинальном напряжении, что означает дополнительный путь прохождения тока от 6 до 10 мм на детали, работающей от 20 кВ, и должны быть подтверждены испытанием на термический удар с 5,000 циклами. После этого утечка тока становится заданным параметром, подтвержденным квалификационным испытанием.
| Параметр компонента | Типичное значение | Условие теста |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение (серия HVCT8G) | 10 кВ постоянного тока | высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с |
| емкость | 4700 пФ ±20% (472М) | 1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение |
| ЭПР на частоте 1 МГц | ниже 50 мОм | - |
| Индуктивность петли (хорда E40) | ниже 8 нГн | Расстояние между клеммами: 40 мм |
| сопротивление изоляции | сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока | 25 ° C, 60% относительной влажности |
| Диапазон температур | от −40 °C до +125 °C | Серия МЭК 60068-2 |
| Возможность импульсного DV/DT | выше 50 кВ/мкс | при номинальном напряжении |
5. Конденсаторы HVC N4700 для пыльных лазерных мастерских
На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: сухим барьером, интерфейсом, выдерживающим циклическую нагрузку, и корпусом, пропускающим утечку тока. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.
Шесть параметров, которые здесь имеют значение.
- Низкоионная эпоксидная смола, дегазированная в вакууме. Содержание ионных примесей ниже 10 ppm и отсутствие пустот при формовании, что одновременно устраняет микропоры и каналы миграции.
- Адгезия, обработанная силаном. Прочность межфазного соединения в 2-3 раза выше, чем у необработанного образца, поэтому циклическая нагрузка 60 °C, которая приводит к расслоению стандартной детали, оставляет этот интерфейс целым.
- Герметичные выводы и клеммы. Каждый вывод имеет формованный выступ и проверяется на наличие пустот; винтовые клеммы и дверная ручка конденсаторы добавить дополнительное уплотнение.
- Сухая транспортировка. Содержание поглощенной влаги при упаковке менее 0.05%, экранирование частичных разрядов менее 5 пКл при номинальном напряжении и сопротивление изоляции более 10 ГОм при 500 В постоянного тока.
- Стабильный диэлектрик. Коэффициент диссипации 0.1% или ниже и коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивают стабильность инкапсулированного элемента в диапазоне температур от −40 °C до +125 °C.
- Сертифицированные компоненты, пригодные для использования в программах ремонта на местах. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata высоковольтные компоненты винтового и радиального типов выводов.
Доставка и поддержка
Стандартные детали поставляются в течение 4–8 недель, а корпуса, изготовленные на заказ с заданным расстоянием утечки, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в разработке состава герметизирующего материала, проведении испытаний на устойчивость к металлической пыли и выборе материалов для герметизации выводов.
Укажите номинальное напряжение, место для монтажа, степень запыленности цеха, профиль конденсации и количество. Компания HVC предоставит вам номер детали, техническую документацию по корпусу, протокол испытаний на воздействие металлической пыли и образцы для испытаний на месте в течение пяти рабочих дней.
6. Часто задаваемые вопросы
В1: Почему конденсатор, прошедший 1,000-часовое воздействие влажного тепла, все еще подвергается коррозии?
Измерение влажности методом измерения тепла показывает поглощение влаги, при этом в камере отсутствует металл. Для возникновения коррозии необходимы частицы металла, вода и магнитное поле одновременно. Детали, прошедшие 1,000 часов при 85 °C и 85% относительной влажности, вышли из строя через шесть месяцев в цехах с высокой концентрацией металлической пыли, поскольку в ходе испытания не учитывалось загрязнение, которое запускает реакцию.
В2: Где начинается коррозия на герметичном конденсаторе?
На выходе вывода. Анализ отказов показал, что местом проникновения коррозии в 60% исследованных корродированных деталей является микроскопическое отверстие диаметром 50 мкм на выходе вывода. Необходимо сформировать там уплотнительный выступ, проверить его на наличие пустот и добавить вторичное уплотнение на винтовых клеммах.
В3: Как быстро происходит насыщение эпоксидной смолой стенки толщиной 2 мм?
При D = 10⁻⁷ см²/с, d²/D равно 111 часам, а 90%-ная точка равна 0.21 × d²/D, что составляет 23 часа. За одни выходные, отмеченные конденсацией, тело полностью насыщается влагой, поэтому барьер должен изначально быть сухим, а свинцовые выходы должны быть герметизированы.
В4: Что меняется при использовании силанового грунтования?
Это повышает прочность эпоксидно-керамического соединения в 2-3 раза. При повышении температуры на 60 °C прочность соединения достигает 14 МПа, поэтому необработанное грунтом соединение микротрещины образуются при многократных циклах, в то время как обработанное грунтом соединение сохраняет прочность дольше расчетного срока службы машины.
В5: Какое влияние оказывает формованный корпус на сопротивление скольжению?
Корпус на 20 кВ с 3-5 мм защитного слоя с каждой стороны добавляет 6-10 мм внешнего сопротивления утечки, что и обеспечивает запас прочности по степени загрязнения 3. Шероховатость и образование дорожек коррозии сводят этот запас на нет, поэтому для проверки размеров корпуса необходимо провести испытание на термический удар в течение 5,000 циклов.
В6: Какие параметры должны быть включены в спецификацию закупки?
Четыре условия: содержание ионных примесей ниже 10 ppm, насыщение примесями ниже 0.5%, поглощенная влага ниже 0.05% при транспортировке, а также 500-часовое испытание на воздействие металлической пыли при температуре 60 °C и относительной влажности 85% с частицами железа и цинка. По завершении этого испытания требуется сопротивление изоляции выше 1 ГОм и частичные разряды ниже 5 пКл.
7. Рекомендации
- Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
- Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
- Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
- МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
- Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
- Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
- Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
- США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
- ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
- Эй Джей Моулсон и Дж. М. Герберт, Электрокерамика: материалы, свойства, области применения., 2-е изд. Чичестер: Wiley, 2003.
- Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com
Пришлите напряжение, емкость, частоту, монтажный чертеж и количество. Компания HVC в течение 48 часов порекомендует компонент класса N4700 с данными проверки на частичные дыры и отчетами о сроке службы до 1000 часов.
Отправить спецификацию материалов / Запросить техническое предложение →Сопутствующие товары HVC
Замена пленочных конденсаторов на керамические в высоковольтных источниках питания лазеров.
Следующая →Сети зарядовой связи для мониторинга плазмы лазерной сварки